摘要：采用盆栽試驗，研究鎘污染土壤中（3.06 mg/kg）空白對照（CK）、施用生物炭（BC）、AM真菌（AM）、氮（NN）及其復合（BC+NN、AM+NN、BC+AM、BC+AM+NN）處理對番茄養(yǎng)分吸收、土壤性質及Cd累積的影響，為番茄的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。結果表明，施用生物炭可提高菌根侵染率，而添加氮肥略微抑制了菌根定殖，而接種AM真菌配施BC、氮肥對番茄地上部和根系生物量皆有積極影響。與單一處理或雙組分處理相比，三組分復合處理（BC+AM+NN）具有最高的地上部生物量，而在根系生物量中以BC+AM處理最佳。與CK相比，AM、BC、NN單一或復合處理皆整體提高了番茄地上部與根系相關養(yǎng)分（N、P、K、Mg、Ca、Mn、Fe）的吸收量、改善部分土壤理化性質，整體以BC+AM+NN、BC+AM處理較佳。AM、BC處理皆降低了番茄地上部、根系及土壤Cd濃度，生物富集系數(shù)（BCF）較小，轉移系數(shù)（TF）較大，生物炭配施AM真菌（BC+AM）處理效果最佳。在單一施氮下，番茄地上部、根系Cd含量升高，BCF較高，TF較低，而NN與BC或AM組合處理下，Cd相關指標得到改善。綜上，在中低濃度Cd污染土壤中，BC、AM、NN單一或組合處理均可促進番茄生長及養(yǎng)分吸收、改善部分土壤理化性質，但單施氮促使Cd富集，因此氮肥不宜單獨施用，需與AM真菌、生物炭配合施用。

關鍵詞：生物炭；AM真菌；氮；養(yǎng)分吸收；鎘累積；土壤養(yǎng)分

中圖分類號：S641.206 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）21-0182-08

收稿日期：2023-10-26

基金項目：河南省教育廳科技發(fā)展研究項目（編號：Wjlx2020375）。

作者簡介：陳艷平（1986—），女，河南鄭州人，碩士，講師，主要從事生物化學與分子生物學研究。E-mail：chenyanp1986@163.com。

通信作者：王 喜，博士，副教授，主要從事園藝作物栽培研究。E-mail：wangx135@163.com。

農(nóng)業(yè)工業(yè)實踐（如金屬冶煉、礦產(chǎn)開采、污水污泥應用）和高地質背景會導致土壤重金屬含量超標，目前土壤重金屬含量超標已成為全球共同關注的環(huán)境安全問題^［1］。鎘（Cd）是一種廣泛存在的重金屬物質，在農(nóng)業(yè)土壤中尤為普遍。大量研究表明，Cd對植物具有較強的生理和基因毒性，可抑制植物的光合反應活性和養(yǎng)分吸收，影響植物根系生長，含量過高時可直接導致植物萎蔫死亡^［2］。Cd具有高移動性、高毒害性以及不可生物降解等特性，這意味著Cd一旦進入生物體，會長期累積且無法排出體外，從而通過食物鏈途徑威脅生物體健康^［3］。

生物炭（BC）是天然動植物殘體與人類生活垃圾等生物質材料在限氧或無氧、中低溫裂解得到的富碳產(chǎn)品^［4］。由于炭化后的BC具有豐富的活性官能團、較高的陽離子交換量、規(guī)則的多孔結構等特性，可有效吸附和固定重金屬離子，目前已應用于修復土壤中的鎳（Ni）、砷（As）以及鉻（Cr）等重（類）污染^［5］。吳偉健等研究表明，在Cd污染的土壤中，BC可以降低土壤生物可利用Cd濃度、提高作物產(chǎn)量并降低植物對Cd累積^［6］。叢枝菌根（AM）真菌隸屬于球囊菌亞門，廣泛存在于土壤中，其可與陸地生態(tài)系統(tǒng)中超過80%以上的維管植物建立互惠共生關系。AM真菌可改善宿主的營養(yǎng)狀況、降低重金屬脅迫并提高宿主抗逆性等^［7］。孫紅等的研究表明，AM真菌菌絲可分泌一種能絡合重金屬的螯合性多糖蛋白球囊霉素，從而降低其土壤重金屬有效性，以及通過菌絲作用將重金屬吸附并固定在菌絲胞間內^［8］。此外，AM真菌是土壤中重要的功能性微生物，可對根際微域和微生物群落豐度產(chǎn)生積極影響，多方面影響植物的重金屬吸收。

氮（N）是植物體中蛋白質、核酸等遺傳物質和代謝化合物的重要組成部分。植物對N與Cd的吸收轉運采用同一種方式，作物種類、氮形態(tài)、施用量及施用時間皆會影響植物對N、Cd的吸收^［9］。硝態(tài)氮（NO^-₃-N）和銨態(tài)氮（NH⁺₄-N）是植物主要的氮素吸收類型，潘維等的研究表明，添加以NH⁺₄-N形態(tài)為主的氮肥會產(chǎn)生H⁺，從而加速土壤酸化，酸性的土壤環(huán)境會增加Cd的生物利用度和溶解度^［10］。據(jù)報道，植物中的N和Cd含量呈正相關，但存在稀釋效應，即植物生物量的增加可減少植物體的單位鎘濃度^［11］。

有研究表明，BC可提高AM真菌在植物根系的定殖能力，增強對土壤養(yǎng)分利用的有效性，且AM真菌和BC組合應用可以促進植物養(yǎng)分吸收、降低土壤Cd的有效性及限制根系Cd向上轉運^［12］。此外，BC和N的相互作用可以增強土壤中的氮殘留、促進微生物增殖，從而延長養(yǎng)分供應周期、促進養(yǎng)分利用率和提高作物產(chǎn)量^［13］，且BC的吸附作用可以有效降低氮肥發(fā)生硝化作用產(chǎn)生的損失，同時可以有效降低酸性土壤中Cd的有效濃度^［10］。然而，關于AM真菌、生物炭和氮施用對Cd污染土壤中植物生長發(fā)育及其Cd生物有效性的研究鮮有報道。番茄是全球廣泛種植的大宗蔬菜之一，具有豐富的營養(yǎng)價值。然而，番茄種植大多為棚內長期單一種植，番茄用肥中含有一定的重金屬物質，長期種植會造成土壤重金屬污染^［2］，大多數(shù)番茄品種對脅迫環(huán)境反應較為敏感，尤其是在早期生長階段。目前，關于相關物理、生物及生物措施組合施用對重金屬脅迫下番茄生長發(fā)育的研究鮮有涉及^［14］?；诖耍狙芯刻剿髁薃M真菌、生物炭和氮組合施用對番茄養(yǎng)分累積、Cd吸收及相關土壤性質的影響，以期為番茄的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021年5—7月在云南農(nóng)業(yè)大學園藝試驗場地進行，供試番茄品種為中蔬6號，來自中蔬種業(yè)科技有限公司。AM真菌接種物由摩西斗管囊霉（Funneliformis mosseae）、幼套近明球囊霉（Claroideoglomus etunicatum）及明根孢囊霉（Rhizophagus clarus）按重量比1∶1∶1混合而成，接種物由孢子和培養(yǎng)土構成，3株菌種均購自北京農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所。供試N為氯化銨（NH₄Cl），分析純，購自國藥集團化學試劑。生物炭購自遼寧省沈陽隆泰生物炭工程有限公司，由水稻秸稈和稻谷殼在無氧環(huán)境下經(jīng)450 ℃炭化制成，其基本性質為：pH值9.88，總碳含量450.14 g/kg，總氮含量8.14 g/kg，總磷含量2.32 g/kg，總鉀含量37.43 g/kg，陽離子交換量23.03 cmol/kg，比表面積217.25 m²/g。

供試土壤取自云南省普洱市某電子拆卸廠附近廢棄的原大棚土壤樣品，土壤類型為棕壤，其理化性質如下：pH值6.39，有機質含量為 22.04 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為57.44、22.93、107.51 mg/kg，土壤有效鎘含量 3.06 mg/kg。根據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》，土壤pH值為5.5～6.5的Cd風險值≤0.3 mg/kg，供試土壤Cd超標10倍，為中輕度Cd污染水平。

1.2 試驗設計

試驗采用3因素完全隨機設計，3因素分別為單施氮肥（NN）、單施生物炭（BC）、單接種叢枝菌根真菌（AM），相應的復合處理分別為BC+NN、AM+NN、BC+AM、BC+AM+NN，以不施生物炭+不接種AM真菌+不施氮為對照（CK），試驗共設置8個處理，每個處理3次重復。

盆栽所用底部直徑為20 cm、高度為22 cm的圓桶型器具，裝土5 kg/盆，其生物炭、AM真菌處理及氮處理施用量分別為50、50、2.5 g/盆，相應處理按上述施用量與土壤提前混合均勻。播撒種子 3粒/盆，15 d后間苗至1株，保持60%土壤持水量。其他管理措施同番茄作物培育方法，試驗培育期45 d。

1.3 樣品采集及測定分析

1.3.1 番茄植株生物量及菌根侵染率的測定

培育 45 d 時將盆栽器具剖開，采用清水小心清洗已獲得的完整根系，將根切成1 cm長的小段，采用臺盼藍染色，光學顯微鏡下用網(wǎng)格交叉記數(shù)法^［15］計算菌根侵染率。將植株地上部、根系分離，然后置于烘箱中105 ℃、30 min使酶失活，65 ℃烘干以獲得生物量。

1.3.2 番茄植株養(yǎng)分含量及Cd含量的測定

將烘干的番茄地上部、根系樣品加入6 mL體積比為 4∶1 的HNO₃∶HClO₄混合液微波消解，之后采用電感耦合等離子體質譜法（ICP-OES）測定P、K、Ca、Mg、Mn、Fe含量，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-MS）測定植物提取物中Cd濃度。

1.3.3 土壤有效養(yǎng)分含量及植株Cd濃度的測定

采用NH₄HCO₃-二乙烯三胺五乙酸（AB-DTPA）通用浸提法提取土壤Cd、Mg、Mn、Fe及Cu濃度，其余土壤指標的測定按照鮑士旦的方法^［16］進行，采用pH計進行土壤pH值測定（V_水∶V_土=5∶1），NO^-₃-N和NH⁺₄-N濃度分別通過鹽酸-乙二胺四乙酸鈉緩沖液、苯酚鈉-乙二胺四乙酸鈉提取，全自動連續(xù)流動分析儀（TRAAS-2100，上海澤泉科技股份公司）進行測定；有效磷（AP）、速效鉀（AK）含量分別采用鉬藍法、火焰光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

生物富集系數(shù)（BCF）及轉移系數(shù)（TF）的計算按照以下公式進行^［17］：

BCF=植株Cd濃度/土壤Cd濃度；

TF=植株地上部Cd濃度/根系Cd濃度。

采用SPSS 23.0進行方差分析和多重比較（α=0.05），所有圖形皆采用Origin 12軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 生物炭、AM真菌及氮對番茄生物量累積及菌根侵染的影響

由圖1-a可知，在侵染率中，各AM真菌接種處理的侵染率為34.63%～77.56%，各處理侵染率從低到高表現(xiàn)為AM+NN＜AM＜BC+AM+NN＜BC+AM，其中以BC+AM處理侵染率最高，BC+AM+NN處理其次，二者無顯著差異，且二者皆顯著大于AM、AM+NN處理（P＜0.05）。由圖1-b可知，各處理地上部生物量從小到大表現(xiàn)為CK＜NN＜BC＜BC+NN＜AM＜BC+AM＜AM+NN＜BC+AM+NN，與CK相比，各處理顯著提高260.98%～758.54%，且以AM+NN、BC+AM、BC+AM+NN處理顯著高于余下處理。由圖1-c可知，BC+AM處理的根系生物量最高，其他處理較其顯著降低26.56%～91.10%。

2.2 生物炭、AM真菌及氮對番茄地上部養(yǎng)分吸收量的影響

由表1可知，在番茄地上部的養(yǎng)分吸收量中，各處理的N、P、K、Mg、Ca、Mn、Fe吸收量皆以CK最低，以BC+AM+NN處理最大；與CK相比，生物炭、AM真菌及施氮處理分別增加281.27%～810.44%、162.94%～1120.31%、156.68%～822.39%、216.00%～1782.67%、225.04%～883.07%、125.71%～1217.14%、77.27%～877.27%。多因素方差分析表明，AM、BC、NN處理對大量元素（N、P、K）、中量元素（Ca、Mg）的吸收具有一定的交互影響；雙因素分析表明，AM×BC、BC×NN對N、P、K具有顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）交互作用；3因素分析表明，AM×BC×NN在N、P、K、Mg、Ca中存在顯著或極顯著交互作用。

2.3 生物炭、AM真菌及氮對番茄根系養(yǎng)分累積的影響

由表2可知，在番茄根系的養(yǎng)分吸收中，各處理N、P、Mg、Ca、Mn、Fe以CK最低，而N、P、K、Fe吸收量皆以BC+AM最高，Ca、Mn吸收量以AM+NN處理最高，Mg吸收量則以AM處理最高?？傮w而言，接種AM真菌明顯增加了根系N、P、K、Mg、Ca、Mn、Fe吸收量，而BC處理明顯增加了根系N、K、Fe吸收量，NN處理則明顯增加了N、P、Fe吸收量。在沒有接種AM真菌條件下，與NN處理相比，BC+NN處理顯著提高了根系的P、K、Mn及Fe吸收量；特別地，在接種AM真菌條件下，與BC+AM處理相比，BC+AM+NN處理皆降低了根系N、P、K、Ca及Fe的吸收量。雙因素分析結果顯示，AM×NN對N、K吸收量分別存在顯著、極顯著交互作用；雙因素及3因素分析結果顯示，根系N、P、K、Mg、Ca、Mn、Fe吸收量皆無明顯交互作用。

2.4 生物炭、AM真菌及氮對Cd濃度、生物富集及轉運的影響

由圖2可知，與未接種AM真菌的相關處理相比，接種AM真菌處理的地上部和根系中的Cd濃度皆有所降低。總體而言，與CK相比，AM、AM+NN、BC+AM、BC+AM+NN處理的地上部和根系Cd濃度分別降低28.90%、57.68%、51.89%、5.32%和52.61%、49.18%、88.31%、61.83%。在未接種AM真菌的情況下，無論是否施用生物炭，施氮均提高了地上部和根系的Cd濃度，與NN、AM+NN處理相比，BC處理皆降低了番茄根系Cd濃度（圖2-b）。在土壤Cd濃度中，單一或組合施用生物炭、AM真菌及施N皆顯著降低了土壤Cd濃度，且NN、BC、AM、BC+AM、AM+NN、BC+AM、BC+AM+NN兩兩處理間均無顯著差異，該7個處理較CK顯著降低11.11%～21.51%（圖2-c）。在生物富集系數(shù)（BCF）中，各處理呈BC+AM＜BC＜AM+NN＜AM＜BC+AM+NN＜CK＜NN＜BC+NN，以BC+NN、NN處理顯著高于其他處理（圖2-d）。在轉移系數(shù)（TF）中，各處理表現(xiàn)為AM+NN＜CK＜NN＜AM＜BC+NN＜BC+AM+NN＜BC＜BC+AM（圖2-e）。

2.5 生物炭、AM真菌及氮對土壤性質的影響

由表3可知，就pH值而言，以NN處理值最低，為6.11，與CK相比，其顯著降低9.48%；以 BC+AM處理pH值最高，其他處理較BC+AM降低1.74%～11.58%，其中BC+AM處理除了與BC處理、CK無明顯差異外，皆顯著高于其他處理。土壤NH⁺₄-N、NO^-₃-N含量分別以NN、BC+NN處理具有最高值，其他處理較其分別顯著降低57.69%～93.65%、30.20%～64.63%。在速效磷（AP）、速效鉀（AK）、速效鎂（AMg）及速效錳（AMn）含量中，皆以BC+N處理存在最大值，其他處理較其分別降低0.45%～29.60%、1.76%～89.99%、9.32%～66.09%及21.74%～89.45%。在速效鐵（AFe）中，各處理呈BC+NN＜BC+AM+NN＜NN＜AM+NN＜CK＜BC＜BC+AM＜AM，其中NN、BC+NN、AM+NN、BC+AM+NN處理較AM處理分別顯著降低50.84%、58.43%、45.57%、54.82%。方差分析結果表明，AM×BC在AMn含量、AM×NN在AMg含量、BC×NN在AP和AMn含量、AM×BC×NN在AK和AMn含量中皆存在極顯著交互作用。

2.6 生物炭、AM真菌及施氮下生長指標與土壤指標的相關性分析

由表4可知，土壤pH值與TF，NH⁺₄-N含量與BCF、地上部Cd濃度、根系Cd濃度，AMg含量與地上部K含量、地上部Mn含量，AMn含量與地上部K含量、地上部Mn含量、地上部Fe含量，AFe含量與根系K含量、根系Fe含量皆呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）正相關關系。土壤pH值與根系Cd濃度、NH⁺₄-N含量與番茄生理指標（根系生物量、地上部P含量、地上部Ca含量、根系N含量、根系P含量、根系K含量、根系Mn含量、根系Fe含量），AK含量與根系Mg含量、根系Ca含量，AFe含量與番茄生理指標（地上部K含量、地上部Mn含量、地上部Cd濃度、根系Cd濃度、BCF），土壤Cd濃度與根系N含量、根系Mg含量皆呈顯著或極顯著負相關關系。

3 討論與結論

人類行為及高地質背景導致的土壤Cd濃度超標已成為影響農(nóng)業(yè)安全發(fā)展的制約因子，化學、物理及生物措施已被證明可有效降低土壤Cd濃度并減少植物Cd累積^［2，18］。在本研究中，AM真菌（AM）、生物炭（BC）和氮肥（NN）單一或組合處理皆可提高番茄地上部和根系的生物量，這表明AM真菌、生物炭和氮肥均有利于番茄的生物量累積。在BC、AM和NN的多元組合處理中，BC+AM、BC+NN、AM+NN處理的地上部生物量皆大于單一處理和CK（圖1-b）；而在根系生物量中，施氮處理皆較低，尤其是BC+NN處理（圖1-c），這可能是生物炭可吸附多余氮素，減少氮損失，從而在番茄早期生長中導致根系生長減緩的緣故^［19］。此外，本研究結果表明，添加BC皆顯著提高了AM真菌的定殖率（圖1-a），這可能歸因于BC具有較佳的孔隙結構和養(yǎng)分底物的有效性，可為AM真菌生長發(fā)育提供良好的環(huán)境^［20］。

在本研究中，與對照（CK）相比，AM、BC和NN單一或組合處理皆整體提高了番茄地上部和根系的養(yǎng)分（N、P、K、Mg、Ca、Mn、Fe）吸收，且接種AM真菌條件下，地上部和根系中的P吸收量增加尤為明顯。前人研究表明，AM真菌是土壤中廣泛存在的重要功能性微生物，AM真菌侵染植物形成菌根共生結構后，可分泌胞外磷酸酶溶解難溶磷，從而改善宿主P營養(yǎng)^［21］。此外，接種AM真菌總體上提高了N、K、Ca、Mg、Mn和Fe吸收量，BC亦提高了地上部和根系的N、K及Fe吸收量（表1、表2），這可能是AM真菌和BC均可促進養(yǎng)分礦化的結果^［22］。此外，BC亦不同程度地改善了番茄的地上部P、Ca、Mg和Mn的積累，這些結果表明BC對番茄的養(yǎng)分吸收具有積極作用。

接種AM真菌顯著降低了地上部和根系的Cd濃度（圖2-a、圖2-b）。前人研究表明，AM真菌可通過介導植物Cd轉運蛋白表達水平和土壤細菌群落結構影響植物對Cd的吸收^［23］。在Cd污染土壤中，AM真菌菌絲和菌絲分泌的球囊霉素蛋白皆可吸收或螯合土壤Cd²⁺，以減少土壤游離的Cd²⁺數(shù)量^{［7，24］}。接種AM真菌增加了地上部和根系的生物量，AM真菌可能通過間接提高生物量從而稀釋生物體的Cd濃度。在接種AM真菌前提下，BC進一步降低了根系Cd濃度（圖2-b）。前人研究表明，BC具有優(yōu)良的陽離子交換性能和表面官能團，可以有效沉淀Cd²⁺形成化合物^［25］，這可能是根系Cd濃度降低的另一因素。此外，在污染土壤中BC可提高pH值，由此可降低土壤Cd的有效性。

生物富集系數(shù)（BCF）是評價植物富集重金屬能力的重要指標，可以反映土壤-植物體系中重金屬由土壤向植物體遷移的難易程度^{［17，26］}。與CK相比，施氮降低了土壤Cd濃度，增加了番茄地上部和根系的Cd濃度，且BCF具有較大值。前人研究表明，由于NO^-₃與Cd²⁺共用轉運蛋白，當土壤N含量較高時，可間接促進植物對Cd的吸收^［11］；NN處理下土壤NO^-₃-N含量較高，且 NO^-₃-N 含量與地上部Cd濃度、根系Cd濃度呈顯著或極顯著正相關關系，這可能是BCF增加的原因之一。相比于NN處理，BC+NN處理中BCF更高，而BC+AM+NN處理下BCF顯著降低（圖2-d），表明AM真菌對Cd富集具有抑制作用。這與前人研究結論基本一致：AM真菌可通過菌絲作用及分泌物作用降低土壤Cd濃度，從而抑制Cd進入宿主體內^{［8，27］}。

土壤pH值是影響土壤Cd溶解度及植物吸收Cd的重要因素，當土壤pH值較低時，土壤Cd有效態(tài)急劇增加，增加植物Cd吸收量^［28-29］。施氮降低了土壤pH值，且pH值與根系Cd濃度呈極顯著負相關關系（表4）。本研究施用氮肥為NH₄Cl，由于NH⁺₄可以水解釋放H⁺以降低土壤pH值^［30］，且NH⁺₄與Cd²⁺競爭土壤吸附位點，從而雙重增加土壤游離Cd²⁺數(shù)量。本研究進一步表明，與CK相比，接種AM真菌配施生物炭（BC+AM）處理降低了地上部Cd濃度、根系Cd濃度，增加地上部生物量，因此Cd濃度降低可能是生物量增加所產(chǎn)生的稀釋效應^{［11，31-32］}。綜上，BC、AM和NN單一或組合處理皆可提高番茄生長、養(yǎng)分吸收及部分土壤性質，但單一施氮可導致土壤酸化從而影響番茄積累更多的Cd。因此，在中低濃度Cd污染土壤中，氮肥不宜單獨施用，需與AM真菌、BC配合施用。

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